Dispersions de boehmite sous cisaillement : anisotropie structurale, rhéologie et effets mémoire

Boehmite dispersions under shear : structural anisotropy, rheology and memory effects

• Auteur / Autrice : Iana Sudreau
• Direction : Sébastien Manneville, Massimo Morbidelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/10/2022
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Diat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Manneville, Massimo Morbidelli, Olivier Diat, Martine Meireles, Marion Servel, Marco Lattuada, Isabelle Henaut, Emanuela Del Gado
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Diat, Martine Meireles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs

Rhéologie

Mots clés libres

Rhéologie

Boehmite

Gels colloïdaux

Anisotropie structurale

Effets mémoires

Catalyseurs

Rheology

Boehmite

Colloidal gel

Structural anisotropy

Memory effects

Catalysts

Résumé

Les propriétés texturales des supports de catalyseur en alumine sont déterminées par l’ensemble des étapes de synthèse, de mise en forme et de séchage appliquées aux dispersions de boehmite, avant leur calcination en alumine-gamma. Cette thèse se concentre sur l’impact du cisaillement sur l’évolution de la structure et de la rhéologie d'une dispersion de poudre de boehmite dans une solution aqueuse d'acide nitrique. L'étude de dispersions de particules colloïdales de boehmite au repos a permis de caractériser leur dynamique de gélification ainsi que les propriétés mécaniques et la microstructure du solide mou obtenu. Nous avons montré que l'évolution temporelle de la viscosité de ces dispersions peut être contrôlée en imposant un écoulement de cisaillement et nous avons proposé un modèle numérique basé sur des équations de bilan de population pour représenter l'effet du cisaillement sur la viscosité. La dépendance des propriétés mécaniques du gel formé après l'arrêt de l'écoulement avec le taux de cisaillement appliqué a été mise en évidence expérimentalement. Un ensemble de protocoles de rhéologie nous a permis de montrer que les propriétés mécaniques des gels de boehmite peuvent être également modifiées une fois celui-ci formé. Ainsi, l'application d'une étape de cisaillement peut induire un rajeunissement de la microstructure du gel ou, au contraire, son vieillissement accéléré en fonction du taux de cisaillement appliqué et de la déformation accumulée au cours de l'étape de cisaillement. En se plaçant à des taux de cisaillement suffisamment faibles, il est alors possible d'induire des contraintes résiduelles au sein du gel et d'augmenter l'élasticité de la microstructure formée. Enfin, une étude en diffusion de rayons X aux petits angles a montré un lien fort entre l'anisotropie de la microstructure formée à faible taux de cisaillement et le renforcement des propriétés viscoélastiques du gel.

The textural properties of alumina catalyst supports are determined by the synthesis, shaping and drying steps applied to boehmite dispersions, before their calcination into gamma alumina. This work focuses on the impact of shear on the evolution of the structure and rheology of boehmite powder dispersions in an aqueous solution of nitric acid. The study of the evolution of dispersions of colloidal boehmite particles at rest allowed us to characterize their gelation dynamics as well as the mechanical properties and the microstructure of the resulting soft solid. Then, we have shown that the temporal evolution of the viscosity of these dispersions can be controlled by imposing a shear flow and we proposed a numerical model based on population balance equations to represent the impact of shear rate on the viscosity. The shear rate dependence of the mechanical properties of the gel formed upon cessation of the flow was demonstrated experimentally. Using a set of rheology protocols, we showed that the mechanical properties of boehmite gels can also be modified once they are formed. For instance, the application of a shear step can induce either a rejuvenation of the gel microstructure or its overaging depending on the shear rate value and on the strain accumulated during the shear step. It is thus possible, at sufficiently low shear rates, to induce the storage of residual stresses within the gel and increase the elasticity of the final microstructure. Finally, a small angle X-ray scattering study reveals a strong link between the anisotropy of the microstructure formed at low shear rates and the enhancement of the gel viscoelastic properties.